Издательский Центр Аква-Терм
Veza_25old
Vitron_450x100

Как накопить и сохранить электроэнергию

В России есть несколько современных технологий, позволяющих накапливать и сохранять электроэнергию. Когда они будут полностью доработаны, Россия потеснит зарубежных игроков рынка источников бесперебойного питания (ИБП) и займет ощутимую долю на рынке альтернативной энергетики. Рассмотрим новые технологии ИПБ, – те, которые находятся в разработке которые и те, которые уже применяются на практике.

Литий-ионные аккумуляторы  

Оригинальная конструкция литий-ионных аккумуляторов «ТЭЭМП» открывает путь для создания унифицированных гибридных накопителей электроэнергии.

Российский производитель систем накопления энергии – компания «ТЭЭМП» – разработал конструктивно новый тип аккумуляторной батареи, которая по своим массогабаритным характеристикам превосходит существующие на рынке накопители энергии. В основе нового изделия – запатентованная конструкция ячейки, серийно производимой компанией для суперконденсаторных модулей. Она не имеет аналогов по соотношению плотности накапливаемой энергии к занимаемому объему и массе, равномерности распределения токовой нагрузки и интегрированной системе диссипации тепловых полей (охлаждения).

Коммутация элементов в накопителе ТЭЭМП

Коммутация элементов в накопителе ТЭЭМП

Суперконденсаторы, серийно выпускаемые компанией «ТЭЭМП», обеспечивают удельные мощности более 100 кВт/кг, при удельной энергии до 10 Втч/кг. Новые аккумуляторные батареи расширят линейку продукции компании. Использование унифицированных элементов и модулей собственной конструкции «ТЭЭМП» позволят создавать в одном корпусе комбинированные источники тока – аккумуляторная батарея (АБ) плюс суперконденсатор (СК).

Суперконденсаторный модуль ТЭЭМП

Суперконденсаторный модуль ТЭЭМП

Оригинальная компоновка была использована инженерами компании для создания аккумулятора с катодным материалом на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4/LFP). Батареи показали рост удельных объемных характеристик (Втч/л) до 60% выше, чем у аналогов, представленных на российском рынке. Конструкция оптимизирует токовые и тепловые поля, что особенно важно для высоконагруженных аккумуляторных модулей электробусов, гибридных автобусов, различной тяжелой техники и рельсового транспорта, в том числе перспективных трамваев.

В рамках первого этапа разработки аккумуляторных батарей выбраны системы литий фосфат железа и системы из смеси оксидов, что позволило достигнуть параметров ячейки в 150 кВт/кг и не менее 200 Втч/кг.

Система стартерного пуска на основе суперконденсаторов ТЭЭМП

Система стартерного пуска на основе суперконденсаторов ТЭЭМП

В рамках второго этапа планируется создание аккумуляторных батарей на базе системы литий-сера (LiS). По предварительной оценке, такие батареи позволят достигнуть уровня удельной энергии от 250 до 400 Втч/кг в зависимости от циклического ресурса.

Ключевыми преимуществами инновационной разработки «ТЭЭМП» является высокая технологичность и унификация аккумуляторной батареи и суперконденсаторных модулей. Их комбинация открывает новые перспективы для создания Hi Efficiency and Extra long life Battery (HEELL Battery, высокоэффективных комбинированных источников тока) для электротранспорта и ESS (системы накопления/хранения энергии) для SmartGrid (активно-адаптивные сети электроснабжения).

Компания «ТЭЭМП» — российский разработчик систем для хранения и накопления энергии, а также химических источников тока, в том числе импульсных и энергетических суперконденсаторов. С 2011 года компания является резидентом Фонда «Сколково».

Калий-ионный аккумулятор

В ассоциации «Глобальная энергия» подвели итоги Общероссийского конкурса «Энергия молодости», в котором были представлены молодежные исследовательские проекты из области энергетики. Наибольший интерес представляла номинация «Новые технологии», победу в которой одержал проект научного сотрудника Сколковского института науки и технологий Станислава Федотова. Свою работу он посвятил созданию калий-ионного аккумулятора, основу которого составляют полианионные электродные материалы. Представленная ученым технология подразумевает применение сложных фосфатов калия, а также переходных материалов уникальной кристаллической структурой в качестве высокоэнергоемких электродных материалов.

Станислав Федотов убежден, что в скором времени калий-ионные батареи могут составить серьезную конкуренцию литий-ионным в крупногабаритных приложениях, например, в малой энергетике, в связи с ограниченной доступностью и географической изолированностью дешевых источников лития в природе. По его мнению, очевидные преимущества калиевого сырья – это невысокая цена и распространенность в природе. «Стоимость карбоната калия составляет менее 5% от цены карбоната лития аналогичного качества», – отметил исследователь.

Калий-ионный аккумулятор - основа будущей малой энергетики

Калий-ионный аккумулятор - основа будущей малой энергетики

Профессор Сколтеха Артем Абакумов – руководитель направления работ по калий-ионным аккумуляторам – отметил весомый вклад результатов исследований, проведенных Станиславом, в понимание фундаментальных основ функционирования калий-ионных интеркаляционных систем. Победитель конкурса получает грант в размере 1 млн рублей на доработку и реализацию своих исследований.

Накопитель на базе технологии получения метанола из воды и углекислого газа из воздуха

Доктор технических наук, заведующий кафедрой теоретических основ электротехники энергетического факультета ЮУрГУ Сергей Ганджа вместе с командой коллег разработал систему, которая позволяет сохранять электрическую энергию в спирте. Метанол для работы такой системы наука научилась получать из воды и углекислого газа, —  уверяют ученые. По словам Сергея Ганджи, это значит, что газ СО2, образуемый промышленными предприятиями, можно тоже пускать в дело: создавать с его помощью метанол для аккумулирования энергии. 

«Электроэнергию несложно произвести и передать на расстоянии, но существует большая проблема — ее сложно хранить. Нужно практически сразу использовать. Или преобразовывать в другой вид энергии, например, в механическую, это довольно проблематично. Если говорить об аккумуляторах, то количество электродов в них ограничено. Условно: нужна батарея размером с ЮУрГУ, чтобы обеспечить электроэнергией Калининский район. И наш вариант — переводить электричество в химическую энергию, с возможностью ее извлечения обратно»,  — рассказывает Сергей Ганджа. 

На идею команду ученых натолкнула разработка, с которой он познакомился на всемирной выставке в Астане: там ученые предлагали накапливать ток в метане. Челябинские энергетики взяли на вооружение и решили ее доработать. «Преимущества жидкости в том, что ее очень удобно хранить в емкостях. Поэтому мы пошли дальше», — поясняет Сергей Ганджа. 

Технология такова: через цепочку химических реакций из воды и углекислого газа получают метанол, его «заряжают» электричеством, которое останется в спирте до востребования, а затем при помощи метаноловой батареи ток можно извлечь и использовать. По словам руководителя группы Сергея Анатольевича, они выбрали наиболее экономичный вариант, чтобы в процессе потерять минимум энергии: по подсчетам КПД доведут до 90%. К тому же, такая схема в будущем может стать спасением для крупных промышленных центров. 

С.А. Ганджа

С.А. Ганджа

«Для процесса нужно много углекислого газа, в то время как в атмосфере его содержится 0,03%. А для промышленных предприятий и жителей города его выбросы — беда. Так что диоксид углерода как раз можно направлять в нужное русло», — уверен Сергей Анатольевич. 

В прошлом году на VI Международной премии (конкурсе) «Малая энергетика – большие достижения», в номинации «Инновационная разработка в сфере энергетики» С.А. Ганджа был награжден дипломом.

От идеи до первых экспериментов в университетской лаборатории прошло около года. Для развития проекта руководство университета даже пригласило специалиста-энергетика из Ирана. Сейчас разработку тестируют на макетном образце, а в дальнейшем ученые подумают о внедрении системы в масштабное использование на практике.

Алюминий-ионный аккумулятор

Попытки создать этот вид аккумулятора в мире предпринимаются уже несколько лет. Проблема в том, что алюминий подвержен быстрой коррозии: электролит разъедает электрод, и ему требуется замена. Количество циклов заряда-разряда аккумулятора из-за этого сокращается. Эту проблему смогли решить в Институте высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН). Индустриальным партнером уральского института выступает компания «Евросибэнерго», входящая в ГК En+ Олега Дерипаски.

Алюминий-ионный аккумулятор

Алюминий-ионный аккумулятор

Был подготовлен лабораторный макет алюминиевого аккумулятора, который принципиально отличается от всех заявленных в мире тем, что в качестве анода  используется не алюминий, а алюминий-графеновый композит, который создан и разработан в институте. Принципиально он отличается тем, что не окисляется на воздухе. Поэтому все процедуры по производству такого источника тока облегчаются не только по отношению к литий-ионному, но и по отношению к существующему алюминий-ионному аккумулятору.

Сегодня разработчики достигли характеристик, которые несколько превзошли показатели стэнфордского аккумулятора-аналога. Например, напряжение в разомкнутой цепи новой российской разработки – 2,2-2,3 вольта, а у зарубежной – 2 вольта. Кроме того, отечественные разработчики предложили альтернативный катод нашей собственной разработки из мезопористого углерода.

На сегодняшний момент удалось достичь удельной энергоемкости аккумулятора 40 ватт-часов на килограмм, а в будущем планируется достичь уровня 200 ватт-часов на килограмм. Разработчики считают, что алюминий-ионные аккумуляторы – это будущее ближайших пяти-восьми лет.

Разработки алюминий-ионного аккумулятора в мире ведутся очень активно. Помимо уже упоминавшегося проекта Стэнфордского университета, существует общеевропейский проект, под который Евросоюз выделил 800 млн евро на четыре года.

Планируется, что исследования проекта ИВТЭ УрО РАН по алюминий ионному аккумулятору будут полностью профинансированы за счет частного инвестора –  компании «Евросибэнерго». Эта разработка – реальная возможность выйти на мировой рынок в качестве лидера. 

На практике: Выксунский металлургический завод внедряет накопители энергии

От теоретических разработок перейдем к практике – рассмотрим пример того, как внедряются новые накопители энергии на российских предприятиях. Так, на площадке Выксунского металлургического завода в Нижегородской области (АО «ВМЗ»; входит в состав Объединенной металлургической компании – АО «ОМК») на электрический погрузчик Hangcha грузоподъёмностью пять тонн установлен накопитель энергии на базе литий-ионных аккумуляторов. 

Накопитель повышенной энергоемкостью 32 кВтч – наиболее мощный из всей линейки подобных устройств, выпускаемых ООО «НПО «Центротех» (ЗАТО Новоуральск, входит в Топливную компанию Росатома «ТВЭЛ»).

Контракт с ВМЗ стал первым опытом его коммерческой поставки. Работы выполнены в рамках комплексного проекта Топливной компании Росатома «ТВЭЛ» и ВМЗ по внедрению технологий накопления энергии на базе литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). В 2018 году уже были реализованы два пилотных проекта на двух электроподстанциях металлургического предприятия с заменой кислотных аккумуляторов на более современные литий-ионные, а также переоснащение одного электроштабелера ВМЗ накопителем энергии на ЛИА вместо используемой ранее щелочной батареи.

«Для Топливной компании Росатома «ТВЭЛ» технологии накопления энергии являются приоритетным направлением развития новых бизнесов, при этом наиболее перспективный сегмент рынка – аккумуляторы для транспортных средств, в том числе для логистической спецтехники. Мы готовы выполнять индивидуальные требования заказчиков по техническим параметрам, а также предлагаем рынку комплексное решение: от ТЭО и проектирования до внедрения изготовленного устройства и постгарантийного обслуживания», – отметил вице-президент по развитию бизнесов общепромышленной деятельности АО «ТВЭЛ» Андрей Андрианов.

Литий-ионные накопители энергии НПО «Центротех»

Литий-ионные накопители энергии НПО «Центротех»

Литий-ионные накопители энергии НПО «Центротех» обладают рядом преимуществ по сравнению со свинцово-кислотными, щелочными и гелевыми аналогами. «Благодаря новому накопителю энергии в несколько раз увеличится мобильность погрузчика: его не придется отправлять в специальное помещение для зарядки. Причем полный цикл зарядки теперь сократится почти вдвое. Кроме этого, по заявлению производителя возрастет и срок службы самого накопителя – до 10 лет», – сказал директор по материально-техническому обеспечению АО «ВМЗ» Дмитрий Денисов.

Статья из журнала «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ», №5-2019.




Поделиться:

Опубликовано: 13 декабря 2019 г.

вернуться назад